喷放罐进料口的应力分析

杜四宏

(中国核电工程有限公司郑州分公司，河南 郑州 450052)

在石油、化工、医药、化肥等行业中广泛使用的压力容器，常会因工艺流程的需要而开孔[1]。容器开孔后，容器的材料因被破坏而产生应力集中现象。容器的壳体和开孔处的接管区会产生附加的弯曲应力，这是结构的不连续造成的。在容器接管区域出现相当大的应力，往往会造成压力容器破坏，进而成为事故隐患。为了避免这种情况的发生，在很长的时间里，工程设计人员都尽可能地不在容器上开孔，如果是工艺需要必须开孔，则尽可能开小孔。

如果在压力容器上开孔，容器与接管相连接区域的应力一般会很复杂，因为容器壳体材料的整体性遭到破坏，承载面积会削弱。另外，容器开孔后，接管区成为总体结构不连续区，在内压荷载的作用下，容器壳体与接管的自由变形将会出现不一致，这样就会产生边缘应力。工程实际中，通过焊接将开孔处的接管与容器壳体连接在一起，这时，焊缝的厚度以及焊缝处出现的过渡圆角等，会在容器结构中形成局部不连续区，不连续应力由此产生。采用传统的数学方法求解这类应力的过程非常复杂，工程设计人员通常采用实验测试法、应力集中系数法、数值解法等来计算局部应力[2]，差分法、变分法、有限单元法等则常用于工程计算中的数值求解。

近年来，Finite Element Analysis（FEA）方法为解决工程中的棘手问题提供了有效途径。Finite Element Analysis（FEA）的基本思路是将实际结构体划分为很多的小单元，这些单元相互连接的点叫节点。节点作为基本的未知量，通过这些节点上的数值插值来求得单元内的相应参量，从而将无限的自由度问题变为有限问题，未知量通过局部的坐标系转变为整体坐标系来求出。结构划分的单元越多，即节点越多，越接近结构的真实情况，最终获得精确解。ANSYS可用于结构工程、电磁场、流体学等的分析[2]，作用非常强大。该软件的单元库、材料模型库及求解器非常完善，设计人员只要在计算时约束条件，选择合理，符合实际情况，就能获得精确求解。本文采用Finite Element Analysis（FEA）方法，应用Ansys程序软件，按照《钢制压力容器——分析设计标准》中规定的原则和方法，对工程中使用的某喷放罐进行了详细的应力分析，并根据应力图对其进行了应力强度评定。

1 模型的有限元分析

1.1 问题描述

用于计算的热喷罐的结构如图1所示。该罐由上部椭圆封头进料口、中间的圆柱形筒体、下部锥形封头的出料口等组成，壳体为16MnR材料。该罐的接管材料、各种参数以及用途见表1，材料性能见表2。该计算罐的设计压力为2.3MPa，正常工作荷载为1.8MPa，在工作中会经历增加压力和卸除压力2种循环，每30min经历1次循环。该计算罐的年操作时间设计为8760h，设计寿命为10a，整个工作过程的运行温度为210℃左右。

表1 喷放罐连接的各接管参数

表2 材料性能

图1 工程中某喷放罐的结构简图

1.2 根据热喷罐结构建立模型

有限元计算的第一步是建立模型。该计算罐上部的椭圆封头进料口属于常见的轴对称结构，表明所受的载荷对称于中心轴，所以该计算罐内产生的应力、应力变形和结构位移变化等，也对称于该中心轴，因此在计算中我们取该计算罐子午面的1/2部分来代替整个几何模型进行计算，既节约时间又能够比较准确地获得结果。图2为该计算罐上部椭圆封头进料口的几何模型（单位为mm）。

图2 计算罐上部椭圆封头进料口的几何模型

1.3 对椭圆封头进料口进行网格划分

建立好计算罐的椭圆封头进料口模型后，要对这个模型进行单元划分。对该计算罐椭圆封头进料口单元的划分，采用8节点4边形单元Quad 8node 82单元，该单元比较规整、均匀，可以获得比较理想的精确解。对该结构进行划分后一共得到2853个节点，794个单元。生成的划分好的单元的椭圆封头进料口模型如图3所示，可以看出结构中的单元比较规整和均匀，这对计算结果非常重要。

图3 椭圆封头进料口的有限元模型

1.4 对椭圆封头进料口施加约束条件

从结构图可以看出，与该计算罐椭圆封头进料口左边相连接的小盖，其中面处的径向位移应该为0mm，用约束条件表示即为X向约束等于0，UX=0。这个计算罐椭圆封头进料口的下端与圆柱形筒体相连接，连接处的轴向位移应为0，用约束条件表示即为Y向约束等于0，即UY=0。该计算罐椭圆封头进料口所承受的内部压力为1.8MPa，该进料口的小盖、椭圆形封头以及所连接的圆柱形筒体都是承受内压的，而其所连接的接管的内伸部分则承受外压。对计算罐的椭圆封头进料口施加位移约束，然后再对其增加压力载荷，得到的有限元模型如图4所示。

图4 椭圆封头进料口的有限元模型的位移及载荷边界条件

2 计算结果及强度评定

该计算罐的椭圆封头进料口在内压1.8MPa作用下的应力强度云图如图5所示。从图5可以看出，对该椭圆封头进料口来说，椭圆封头与接管相互连接处的应力最大，应力强度为229MPa。我们采用最大切应力理论即第三强度理论进行分析和计算，评定方法按标准JB 4732-1995[3]进行。

图5 椭圆封头进料口的应力强度云图

一般将应力强度的分析方法分为点对点处理法和线对线处理法2种[4]。如果所计算的结构形式复杂且结构是非轴对称的，则可以将线对线处理法延伸为面对面的处理方法[5]。本文中，对喷放罐椭圆封头进料口的计算采用的是线对线的处理方法，即在计算喷放罐椭圆封头进料口各部位的应力时，按最可能出现危险的截面，沿着一条应力处理线，先将各应力分量进行均匀化和当量线性化处理，再对该部位进行应力分类评价。完成这个步骤后，薄膜应力被均匀化和平均化处理；当量线性化处理后的弯曲应力属于线性部分，剩余的属于非线性部分，这部分应力即为峰值应力。在实际工程中进行应力线性化处理时，选取的原则是：找到结构上应力强度发生的最大节点处，通过这个最大节点，计算结构的壁厚方向即可设定为应力线性化路径[6]。

从图5可知，喷放罐椭圆封头进料口应力强度的最大点，发生在进料口接管与喷放罐椭圆封头相连接的地方，这也是与实际状况相吻合的。从图中的计算结果可知，这个地方的应力强度为229MPa。参照前面提及的路线设定原则进行路径设定(图6中的A-A)，它们的强度评定见表1。

图6 椭圆封头进料口线性化路径

3 结论

对喷放罐椭圆封头进料口进行力学分析后可知，在正常运行工况及尺寸条件下，该结构强度能够满足相应的标准要求。该喷放罐进料口与接管的相互连接处是应力较大的地方，即应力高强度区，因此在结构设计与制造过程中，应保证该区域的尺寸。喷放罐进料口与接管的连接处应尽量采用圆弧状或经形状优化的特殊曲线过渡，以减少该处的应力，使结构更加安全。